推荐一篇发表在Cell Metabolism上的文章，文章标题是“Lighting up arginine metabolism reveals its funactional diversity in physiology and pathology”。本文通讯作者是来自华东理工大学药学院的赵玉政教授，其课题组致力于细胞代谢相关动态监测与调控技术的设计与开发等方面的研究。本文中，作者设计并构建了一个对L-精氨酸特异性敏感的高性能荧光生物传感器，实现了活体中精氨酸代谢的实时动态可视化分析。
精氨酸是哺乳动物中代谢功能最广的氨基酸之一，与多种生理与病理过程密切相关。为了能够对精氨酸进行有效地监测，研究者开发了一系列监测分子或反应试剂。然而，受限于灵敏度与特异性，其难以实现精氨酸特异性实时动态追踪。为了解决这一问题，本文中，作者先从Uniprot数据库中，寻找一些细菌来源的精氨酸结合蛋白，进行实验测试。然而，与此前的研究者一样，找到的蛋白虽然能够识别精氨酸，但是对具有类似特性的赖氨酸、组氨酸等分子也有不弱的亲和力。因此，他们另辟蹊径，通过计算对接研究（Docking），发现一种来源于沙门氏菌的精氨酸结合蛋白STM4351具有理论上更低的精氨酸结合自由能，且在结构上具有更深、更窄的精氨酸结合口袋。因此，他们以STM4351为模型，进行后续的研究。
为了能够构建出在结合精氨酸前后具有显著荧光信号变化效果的系统，研究者对STM4351和黄色荧光蛋白（cpYFP）进行嵌合体工程化改造，并挑选出其中具有最大荧光比率变化，最好精氨酸亲和力和表达水平的蛋白，作为STAR（Sensitive to arginine）系统进行后续研究。他们发现，STAR在485 nm处具有最大的激发信号，且对L-精氨酸具有非常高的选择性，而对D-精氨酸和其他类似的氨基酸没有明显的结合能力。由此证明，STAR是一种具有优秀选择性的L-精氨酸实时动态监测工具。
后续的研究中，他们先在模型细胞上进行STAR功能的表征。结果显示，STAR系统可以在较大的动态范围内表征活细胞内的精氨酸的降低与升高过程。同时，表达了STAR系统的小鼠在保持健康的同时，可以动态地展示其自身的精氨酸水平，证明了系统的有效与安全性。随后，他们通过STAR系统表征了巨噬细胞极化过程。当巨噬细胞由M0期转向M1或M2时，细胞中的精氨酸水平显著下降。通过精氨酸的剥夺抑制了M1细胞的吞噬能力，这意味着精氨酸对吞噬作用有重要意义。在衰老模型细胞中，他们通过STAR系统发现，其中的精氨酸代谢水平显著升高，而降低精氨酸的摄入可以有效抵抗衰老的进程。最后，他们在白癜风病人的血清样品中也进行了STAR监测，由此提出了血清精氨酸水平和白癜风进程之间的关系模型，为白癜风的诊断与治疗提供了新思路。
综上，本文中，作者设计并构建了L-精氨酸特异性传感器平台STAR，实现了活体中精氨酸水平的实时动态表征，为精氨酸代谢过程的解析提供了强大的理论与实验支持。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1550413124003759
原文引用：DOI: 10.1016/j.cmet.2024.09.011
